Technological Demands for Higher Generation Process for Ethanol Production

Transcrição

1 Technological Demands for Higher Generation Process for Ethanol Production Carlos Eduardo Vaz Rossell Centro de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE) BIOEN Workshop on Processes for Ethanol Production September 10 th 2009-São Paulo, Brazil

2 Identificação das barreiras que estão impedindo atingir uma tecnologia de conversão de bagaço em etanol Apresentação dos principais fatores a ser otimizados no desenvolvimento e demonstração de uma tecnologia de produção de etanol a partir de bagaço (palha). Apresentar as vantagens de associar a hidrólise à produção de etanol dos açúcares extraíveis da cana segundo um modelo baseado no processamento de cana de açúcar.

3 Bioetanol do caldo (GI) e de bagaço ( GII) Integração das produções de Bioetanol do caldo de cana de açúcar (primeira geração; GI) e a partir de bagaço e o palha (segunda geração; GII). Modelo: Destilaria cujos produtos são AEHC e AEAC (GI) e bioeletricidade na qual é acoplada uma unidade de sacarificação de bagaço e os licores de ART são processados aproveitando ao máximo as facilidades da Destilaria (complementada dos equipamentos necessários). Vantagens: Ganhos de Economia de escala: redução de investimentos e custos operacionais; Maior eficiência de conversão e energética. Matéria prima disponível a custo comparativamente menor; Gera as necessidades energéticas; Aumento da produção de etanol sem aumentar área de plantio;

4 Bioetanol do caldo (GI) e de bagaço ( GII) Sugarcane stalks Trash (a) Lignin Juice extraction unit Bagasse Steam &Energy Unit Electricity Total reducing sugar juice Steam and Power Bagasse Water Ethanol production Unit Sugar Liquor Hydrolysis Unit Stillage Bio-ethanol from juice and biomass (a) Lignin

5 Matéria prima: bagaço Bagaço. Potencial disponível: 140 Kg/TC (umidade 50%) Vantagens Disponibilidade, entregue na destilaria, custo do processamento físico incorporado na etanol GI; Custo menor ( próximo a US$8,00/T) comparado a outros resíduos lignocelulósicos. Fatores a otimizar Propriedades físicas e químicas a determinar; Tratamento físico requerido: preparo final, limpeza e classificação em frações; Estocagem e conservação; Processamento a etanol versus produção de bioeletricidade; Processos específicos para sacarificação do bagaço.

6 Matéria prima: resíduos da colheita Palha (resíduos da colheita). Potencial disponível: 140 Kg/TC (bagaço equivalente) Fatores a otimizar Palha (Kg/TC) que pode ser retirada sem prejudicar a cobertura do terreno; Procedimentos de colheita, transporte, estocagem, conservação, limpeza e preparo da palha; Propriedades físicas e químicas da palha; Processamento da palha a etanol; Tecnologia de combustão da palha para produzir energia térmica; Formação do custo da palha posta na Destilaria.

7 Enzymatic Hydrolysis for bagasse to ethanol conversion SAND, SOIL METALS CLEANING FRACTIONATION BAGASSE ETHANOL PENTOSE FERMENTATION TO ETHANOL 4 DISTILLATION/DEHYDRATION FINES AND RIND WINE YEAST PRODUCTION PREHYDROLYSIS PENTOSE LIQUOR HEXOSE FERMENTATION TO ETHANOL SELECTED YEAST 1 HEXOSE LIQUOR LIGNIN DESLIGNIFIYNG LIQUOR PURIFIYNG CELULASE PRODUCTION TREATED FIBER 2 ENZYMATIC HYDROLYSIS HEXOSE LIQUOR CELULASE RECOVER 2 CELULASES 7 back next

8 Processo de hidrólise Principais barreiras que limitam o desenvolvimento do processo Prétratamento: Impacto das propriedades físicas e químicas da matéria prima (bagaço, suas frações e a palha); Tratamento, separação e recuperação de celulose, pentoses e lignina ou descristalinização da celulose; Minimização de inibidores gerados;

9 Complexo enzimático: Processo de hidrólise Processo de produção de complexo enzimático direcionado para rendimento ( UFP/m³ de meio final) e produtividade elevada (UFP/m³.h ). Redução do custo de produção de uma UFP. Desenvolvimento de complexo enzimático (endo-, exoglucanase, -glicosidase, etc.) de alta especificidade. Complexos enzimáticos com maior: estabilidade, maior temperatura de operação e faixa de ph. Isolamento e construção de linhagens de microorganismos de alta produtividade

10 US$/ FPU Biosíntese das hidrolases. Custo vs. produtividade US$/L etanol 1,40 0,45 1,20 0,40 1,00 X X Ahamed, 2008a Ahamed, 2008b 0,35 0,30 0,80 X Hendy, ,25 0,60 0,40 X Watson, ,20 0,15 0,10 0,20 0,05 0,00 0,0 100,0 200,0 300,0 400,0 500,0 600,0 700,0 0,00 (Pradella et al. 2009) produtvidade (FPU/Lh)

11 Formação do custo da enzima Item Substrato a US$ 0,05/Kg Substrat o a US$ 0,30/Kg Investimentos 45 % 35% Substrato (fonte C) 4,3 % 25,2 % Energia 12,6 % 9,8 % Outros 37,90 % 29,60 %

12 Processo de hidrólise Reação de hidrólise (catálise enzimática): Elucidar os mecanismos envolvidos na interação enzimas substrato, produtos intermediários e finais. Modelar a reação de hidrólise da celulose a glicose, catalisada pela celulase (complexo enzimático): taxa de conversão muito baixa, inibição pelo substrato, produtos intermediários e final. Reação heterogênea (partícula- meio líquido): fatores hidrodinámicos, limitações na concentração de substrato. Desenvolver projeto de reatores de maior taxa de conversão A sacarificação e fermentação em separado (HFS) adequam-se melhor na integração GI e GII, mesmo assim as outras alternativas devem ser investigadas (SFS,CDM e outras).

13 Processo de hidrólise Reação de hidrólise (catálise ácida): Seleção de catalisadores e condições de operação que inibam a destruição dos açúcares formados; Modelar a reação de hidrólise da celulose a glicose, catalisada por ácidos): rápida destruição dos açúcares através de reações consecutivas (furfural, HMF, ácidos alifáticos : fórmico e levulínico); Reação heterogênea (partícula- meio líquido): fatores hidrodinámicos, limitações na concentração de substrato. Desenvolver projeto de reatores capazes de controlar a decomposição dos carboidratos.

14 Processo de hidrólise Metabolismo das pentoses: etanol é o produto alvo e com potencial de absorver o ART5 gerado. Desenvolvimento de uma rota eficaz de conversão de pentoses em etanol (microorganismos: isolamento e/ou construção) Desenvolvimento de alternativas de conversão das pentoses em outros produtos de interesse

15 Fatores associados a engenharia Engenharia de processo Demonstração da fermentação alcoólica de hidrolisado (ART6) em presença de inibidores; Reações de prétratamento em condições de temperatura e pressão elevadas com catalisadores corrosivos. Seleção de ligas para suportar corrosão e abrasão; Projeto de reatores e equipamentos capazes de operar com maior teor de bagaço em suspensão Projeto de sistemas para agitação e transporte de massa e energia no meio heterogêneo; Dispositivos para alimentação pressurizada de bagaço;

16 Meio ambiente Captação e uso de água: No GI nas condições atuais já é muito elevado (têm soluções de Engenharia disponíveis); No GII com a tecnologia atual seria 4-5 X (requer abordagem científica e tecnológica) Efluentes: Sólidos : lignina; requer beneficiamento adequado para queima; Líquidos: Vinhoto; elevado volume, requer redução e tratamento. Não possui valor como fertilizante comparado com o vinhoto de GI. Tecnologias disponíveis: concentração térmica e biodigestão; Vapores: voláteis provenientes do pretratamento; Produtos químicos: SO2, H2SO4, NaOH, CaO precisam ser removidos.

17 Etanol de bagaço (GII) integrado à destilaria (GI) Anteprojeto de uma unidade com prétratamento de bagaço, recuperação do licor de pentoses, sacarificação em batelada da celulignina, póstratamento dos licores e fermentação a etanol junto com o mosto de xarope de cana de açúcar. Hidrólise integrada com uma Destilaria Padrão de TCD,1000 m³/dia de AEAC e 167 dias de Safra otimizada em rendimentos, geração e uso de energia, uso de água e geração de efluentes. Considerados dois estágios tecnológicos: 2015 e Nota: Estudo de 2007, prevista revisão e atualização pelo grupo de Biorefinaria do CTBE

18 Etanol de bagaço (GII) integrado à destilaria (GI) cana Bagaço da moenda Limpeza de cana Preparo e extração do caldo Tratamento do caldo Palha recuperada Bagaço excedente para hidrólise Geração de vapor e energia elétrica Classificação e limpeza do bagaço vapor Energia elétrica Licor tratado Pré-concentração do caldo Fermentação alcoólica vinho Destilação e retificação hidrólise destilaria H 2 SO 4 Complexo enzimático aditivos Licor e lignina Lignina à caldeira Reação de pré-tratamento Reação de hidrólise vapor Separação do licor da hidrólise Licor impuro Pré-concentração e purificação AEHC Desidrataçã o Tratamento do vinhoto vinhoto Vinhoto concentrado Água resfriamento AEAC Águas condensadas

19 Bases do Modelo Cenário Conversões previstas hexoses: 80% fermentação: 91% Etanol Etanol Etanol Hexoses Pentoses Total pentoses: 78,5 % fermentação: 0% ,2 0 94,2 destilação: 99,75 % 2025 hexoses: 95% fermentação: 91% pentoses: 85 % fermentação: 50% destilação: 99,75 % 111,4 37,9 149, Pré-tratamento Explosão com vapor e adição de H 2 SO 4 Sacarificação enzimática 48 horas de reação 24 horas de reação Fermentação das pentoses Não Sim fermentação Contínua ou batelada junto com o mosto da destilaria Destilação, retificação e desidratação Destilação múltiplo efeito e peneiras moleculares Etanol produzido (m³/dia) Concentração térmica do vinhoto em 6 estágios 50% do volume inicial 33% do volume inicial Lignina produzida como bagaço equivalente (ton/dia) )

20 Parâmetros operacionais Moagem total (TC) toneladas/safra Excedente de bagaço e 47,48% 76,03% palha com bagaço equivalente Bagaço para hidrólise toneladas/safra toneladas/safra Etanol do processo convencional (m³/safra) ,83% ,43% Etanol da hidrólise ,17% ,57% (m³/safra) Etanol total (m³/safra) ,00% ,00% Vapor do processo (2,5 bar) Total (kg/tc) Excedente de energia elétrica (kwh/tc) ,00% ,00% 49,34 51,94% 54,71 53,43%

21 Valor do bagaço Custo do etanol de hidrólise (2015) R$ 17,20 por tonelada Processamento do bagaço 268 mil toneladas/ano Estimativa dos Investimentos envolvidos Item Valor unitário (R$/t bagaço) R$ ,00 Participação (%) Obras civis 0,48 0,33 Equipamentos 80,69 56,10 Mão de obra 4,22 2,93 Insumos 50,97 35,44 Outros 7,47 5,19 Custos de processamento R$ 143,82/tonelada do bagaço Custo de produção do etanol R$ 1,53/litro

22 Custo do etanol de hidrólise (2025) Valor do bagaço R$ 17,20 por tonelada Processamento do bagaço Estimativa dos Investimentos envolvidos 426 mil toneladas/ano R$ ,00 Item Valor unitário (R$/t bagaço) Participação (%) Obras civis 0,50 0,45 Equipamentos 52,45 46,94 Mão de obra 2,65 2,37 Insumos 46,26 45,61 Outros 5,18 4,64 Custos de processamento do bagaço Custo de produção do etanol R$ 107,01/tonelada R$ 0,72/litro

23 Análise do custo de produção Investimentos: Decisão quanto a operar ano tudo e somente na Safra. A produtividade da sacarificação (reator e biocatalisador) influem diretamente nos investimentos. O processo: prétratamento, concentração em ART do licor, nível de inibidores de fermentação influem diretamente nos investimentos Insumos e energia: Bagaço (palha); Complexo enzimático; redução do custo de produção da enzima, aumento da produtividade têm um forte influencia no custo; Energia térmica, mecânica e elétrica; Necessário aproveitar as pentoses; Produtos químicos: pouco significativos; Excedentes de EE geram créditos; Obras civis, mão de obra e outros: não tem grande peso

24 Missão: Desenvolvimento da cadeia produtiva de cana de açúcar a Bioetanol. Programas: Centro de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE) Ciência; Engenharia Agrícola; Conversão de biomassa (etanol e outros produtos) Biorefinaria Virtual (modelagem e validação de processos); Sustentabilidade.

25 Centro de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE) Modelo de Atuação: Suporte à comunidade científica e tecnológica no desenvolvimento de pesquisas relacionadas a Etanol de cana de açúcar (Laboratório Nacional); Parcerias com o setor privado no desenvolvimento e transferência de tecnologia Quadro de pesquisadores e programa próprio de pesquisas Infraestrutura: Laboratórios de Pesquisa; Laboratório (LDP) e Planta Piloto de Desenvolvimento de Processos (PPDP).

26 Thanks very much for your attention! Muito obrigado!